Eine der einfachsten Methoden zur Messung und Aufzeichnung von Temperaturen ist die Verwendung eines Thermoelements. Thermoelemente arbeiten in den meisten Umgebungen zuverlässig und sind unempfindlich gegenüber extremen Temperaturen, Vibrationen und sogar ionisierender Strahlung. Allerdings sind sie anfällig für die Auswirkungen elektromagnetischer Felder und sollten daher an solchen Orten mit Vorsicht oder gar nicht verwendet werden.
Dieses Whitepaper von Omega Engineering behandelt die Probleme bei der Verwendung von Thermoelementen in elektromagnetischen Umgebungen und gibt Empfehlungen für alternative Arten von Temperaturmessgeräten. Die einzelnen Abschnitte befassen sich mit folgenden Themen:
- Theorie und Anwendungen von Thermoelementen
- Elektromagnetische Anfälligkeiten
- Induzierte Spannung
- Induktionserwärmung
- Probleme mit Gleichtaktspannung
- Alternative Temperaturmessgeräte
Theorie und Anwendungen von Thermoelementen
Thermoelement-Sonden mit Steckverbindern Thermoelemente nutzen den Seebeck-Effekt, der 1821 von Thomas Johann Seebeck entdeckt wurde. Dabei handelt es sich um das Phänomen, dass in einem Stromkreis aus unterschiedlichen Metallen elektrischer Strom fließt, wenn ihre beiden Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
Die in einem Thermoelement verwendeten Metalle müssen thermoelektrische Eigenschaften aufweisen. Dies ist der Fall, wenn die Elektronen durch die Materialien diffundieren können. Bei höheren Temperaturen gewinnen die Elektronen kinetische Energie, werden beweglicher und erhöhen den Grad ihrer Bewegung, wodurch sich das elektrische Potenzial verändert. Viele Nickel-basierte Legierungen weisen solche Eigenschaften auf und werden in den meisten gängigen Thermoelementdrähten verwendet. Beispielsweise verwendet das Thermoelement vom Typ K Verbindungsstellen aus Chromel und Alumel, die beide einen erheblichen Anteil an Nickel enthalten. Andere in Thermoelementen verwendete Materialkombinationen basieren auf Platin-Rhodium und Wolfram-Rhenium, die ebenfalls thermoelektrische Eigenschaften besitzen.
Der erzeugte Strom und die erzeugte Spannung sind proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den beiden Verbindungsstellen, obwohl die Beziehung nicht genau linear ist. Die tatsächlichen Spannungen sind sehr gering. Bei einem Thermoelement vom Typ K (das aufgrund seines breiten Temperaturbereichs und seiner geringen Kosten weit verbreitet ist) beträgt die Änderung 41 mV pro Grad Celsius. Andere Thermoelementtypen erzeugen Änderungen ähnlicher Größenordnung. Daher müssen Thermoelementsignale für die Verwendung in Messsystemen verstärkt werden. Dabei wird zwangsläufig auch jede zusätzliche Spannung in den Signalen, die durch externe Ursachen entsteht, mitverstärkt.
Elektromagnetische Anfälligkeiten
Hohe Spannungen sind in vielen Situationen, in denen Temperaturmessungen erforderlich sind, weit verbreitet, und elektromagnetische Felder sind unvermeidbar. Induktionserwärmung wird in der gesamten Industrie eingesetzt, und die Temperatur muss gemessen werden, um konsistente Prozesse zu gewährleisten. Stromleitungen führen hohe Spannungen. Transformatoren sind hohen Belastungen ausgesetzt und können sehr heiß werden. Selbst Zündkerzen, die in Verbrennungsmotoren (nicht nur in Automotoren, sondern auch in großen Generatoren) verwendet werden, erzeugen transiente elektromagnetische Signale.
Elektromagnetische Felder beeinflussen die Messwerte von Thermoelementen auf zwei Arten:
- Spannung in den Thermoelementdrähten induzieren
- Induktive Erwärmung des Thermoelements verursachen
Zusätzlich erhöht die Gleichtaktspannung relativ zur Erde die Spannung des Thermoelementsignals. Diese Probleme können in Gleichstromumgebungen auftreten, sind jedoch bei Wechselstrom stärker ausgeprägt.
Induzierte Spannung
Das Faradaysche Gesetz beschreibt das Phänomen, dass die Bewegung eines elektrischen Leiters durch ein Magnetfeld zur Erzeugung von elektrischem Potential führt. Der gleiche Effekt kann Spannung in Thermoelementdrähten erzeugen, insbesondere wenn die Drähte senkrecht zu einem sich ändernden Feld ausgerichtet sind. Da der Seebeck-Effekt sehr kleine Spannungen erzeugt, kann bereits ein kleines Feld die Temperaturmessung verändern.
Induktionserwärmung
Wenn ein Leiter einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, entstehen Wirbelströme, die zu einer Erwärmung führen. Da Nickel elektrisch leitfähig ist, erwärmt ein magnetisches Wechselfeld, wie es beispielsweise um einen großen Motor oder Generator herum auftreten kann, das Temperaturmessgerät selbst. Dies führt zu einem Signal, das die gemessene Temperatur nicht genau wiedergibt.
Probleme mit Gleichtaktspannungen
Wenn ein Thermoelement neben oder als Teil eines elektrischen Geräts verwendet wird, wird es häufig an diese Spannungsversorgung angeschlossen. Sobald es unter Spannung steht, kann eine Differenz zwischen Erdung und Geräteerdung die Signalspannung des Thermoelements beeinflussen. Die Lösung in solchen Fällen besteht darin, das Messsystem galvanisch zu trennen oder alternativ andere Temperaturmessmethoden in Betracht zu ziehen.
Alternative Temperaturmessgeräte
Infrarot-Temperatursensor/-Transmitter 
Infrarot-Temperatur-Sensor/-Transmitter Zwei Technologien, die es zu erkunden gilt, sind Widerstandsthermometer (RTDs) vom Typ Pt100 und die Erfassung von Infrarotstrahlung (IR).
RTDs (bei denen das Messprinzip auf der Änderung des Widerstands eines Platin-Drahtes basiert) sind für ihre hohe Genauigkeit bekannt und weisen eine gute Immunität gegenüber elektromagnetischen Feldern auf. Allerdings sind sie tendenziell empfindlich und nicht immer für industrielle Umgebungen geeignet.
Die Messung der IR-Strahlung hat den Vorteil, dass sie berührungslos erfolgt und je nach Größe des Strahlers aus einer Entfernung von mehreren Metern oder mehr durchgeführt werden kann. Sie nutzt das Plancksche Strahlungsgesetz, das beschreibt, wie ein Körper Energie proportional zu seiner Temperatur abstrahlt. Eine Herausforderung besteht darin, dass verschiedene Oberflächen bei gleicher Temperatur unterschiedliche Strahlungsraten aufweisen. Dies wird als Unterschied im Emissionsgrad bezeichnet und sollte bei der Temperaturmessung mit jedem IR-Detektor berücksichtigt werden.
Omega Engineering bietet mehrere IR-Temperatursensoren/-Transmitter an, die für den Einsatz in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen geeignet sind. Der OS137A wird in einem NEMA 4-konformen Edelstahl-Gehäuse mit einem Durchmesser von 1 Zoll geliefert und kann in Entfernungen von bis zu 48 Zoll eingesetzt werden (Hinweis: Das Messobjekt sollte das Sichtfeld des Sensors ausfüllen. Ist dies nicht der Fall, ist die gemessene Temperatur nicht genau).
Der OS137A ist in drei Messbereichen erhältlich, die Temperaturen bis zu 538 °C (1000 °F) abdecken. Bei der Einrichtung kann ein Laservisierzubehör an der Vorderseite montiert werden, um eine genaue Ausrichtung auf das Ziel zu gewährleisten. Der Ausgangstyp muss bei der Bestellung angegeben werden: Wählen Sie zwischen Spannungs-, Strom- oder Typ-K-Thermoelement-Ausgängen. Es gibt eine Möglichkeit zur Einstellung eines Alarmgrenzwerts und die Emissivität ist einstellbar.
Mit einem Durchmesser von 3⁄4" ist der OS136 ein kompakterer Infrarotsensor/-Transmitter. Die Leistung ist ähnlich wie beim OS137A, allerdings ist der Blickwinkel größer (was eine engere Platzierung erforderlich machen kann). Im Gegensatz zum OS137A ist die Emissivität auf 0,95 festgelegt, sodass bei unterschiedlichen Zielen Korrekturen vorgenommen werden müssen.
Zusammenfassung
Thermoelemente messen die Temperatur in Mikrovolt pro Grad Celsius. Diese Signale müssen verstärkt werden, um nutzbar zu sein, wodurch sie bei Verwendung in elektromagnetischen Umgebungen anfällig für Messfehler sind. In den Thermoelementdrähten können Spannungen induziert werden, Induktionserwärmung kann die Temperatur des Thermoelements erhöhen und Erdungsprobleme können die gemessene Spannung erhöhen.
Es können zwar verschiedene Filter und Abschirmungsmethoden verwendet werden, ein anderer Ansatz besteht jedoch darin, die Messtechnologie zu wechseln. Sowohl RTDs als auch IR-Emissionsdetektoren weisen eine gute Toleranz gegenüber elektromagnetischen Feldern auf, obwohl RTDs oft als zu empfindlich für industrielle Umgebungen angesehen werden. IR-Sensoren/Transmitter ermöglichen eine berührungslose Messung mit einem breiten Messbereich und sind in robusten Schutzgehäusen erhältlich.
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